汽油机球墨铸铁曲轴失效分析与研究

汽油机球墨铸铁曲轴失效分析与研究
王立新;袁峰;梅本付;谢薇
【摘要】球墨铸铁铸造的某汽车发动机曲轴在发动机台架耐久试验中发生开裂.对失效曲轴的断口进行了宏观及微观分析.结果表明,该曲轴耐久试验开裂为多源疲劳所致,起源点均位于滚压沟槽处.通过改进曲轴轴颈机加工工艺和适当的沟槽滚压力,减少刀痕和毛刺,增大沟槽处的残余压应力,有助于解决球墨铸铁曲轴耐久试验时的开裂现象.
【期刊名称】《上海金属》
【年(卷),期】2017(039)001
【总页数】5页(P11-15)
【关键词】曲轴;球墨铸铁;石墨;轴颈;残余应力
【作者】王立新;袁峰;梅本付;谢薇
【作者单位】泛亚汽车技术中心有限公司,上海201201;泛亚汽车技术中心有限公司,上海201201;泛亚汽车技术中心有限公司,上海201201;泛亚汽车技术中心有限公司,上海201201
【正文语种】中文
曲轴是汽车发动机最重要的零件之一，运转中的受力情况非常复杂，承受着弯曲、扭转和压缩等载荷的作用。

这些载荷不仅数值较大，而且一般呈周期性变化，容易引起曲轴的扭转和弯曲变形，甚至产生裂纹和断裂[1]。

在进行发动机整机的耐久或循环热载荷台架试验中，由于铸造材料和铸造工艺的特性，加之后期的机加工和
滚压不当，在某些特定区域可能会产生裂纹，进而导致试验失败。

某汽油发动机曲轴材料使用该汽车企业内部标准球墨铸铁，台架试验263 h后于4P拐径转角处发生开裂(要求621 h不开裂)，停机后发现曲轴轴颈处有裂纹。

断裂曲轴为四缸曲轴，有4拐，拐径约为φ 40 mm，总长约440 mm。

图1为该失效曲轴的模型图，开裂位置如图中箭头所示，所有的拐径转角处(即沟槽处)均经滚压处理。

肉眼观察发现整个沟槽滚压面较平整，无明显的毛刺、刀痕等机加工缺陷。

曲轴开裂处外观如图2(a)所示，可见裂缝位于向心侧，裂缝中间段沿转角沟槽分布。

将裂缝打开得到断面，如图2(b)所示，可见裂面中间段沿转角滚压面分布，约达1/4周长，裂面两侧则沿平行切线方向扩展，断面上存在明显的贝壳状花样，由箭头所指沟槽处起始，放射状扩展。

边缘起始区有多条台阶且光亮，表明其为先期开裂，扩展区相对比较平坦，宏观疲劳条纹清晰，断面两侧则相对粗糙，呈相对高应力下终断形态。

对起始区作进一步观察，可见该处高低不平，有多条明显径向台阶，表明疲劳开裂为多源起始，如图2(c)所示，与文献[2]的断裂模式较为接近。

该区域附近未见明显的机械损伤现象。

对失效曲轴进行化学成分分析，采用光谱法检测，结果显示球墨铸铁曲轴的化学成分符合该汽车企业内部标准的要求，见表1。

3.1 4P拐断面
(1)断面起始区及周边
断面起始区的低倍形貌如图3(a)所示，可见断面较平滑，断面附近表面上存在较多裂纹状缺陷。

高倍观察该区域断面，可见其表面存在平行分布的疲劳扩展条纹，如图3(b)所示。

而断面附近表面的裂纹与表面呈斜向分布，如图3(c)所示。

(2)断面扩展及终断区
断面扩展区形貌如图4(a)所示，可见断面较平坦。

高倍下可见片状珠光体断裂的
准解理形貌，如图4(b)所示。

终断区较粗糙，如图4(c)所示。

高倍下可见解理状
断面，球状石墨散布其间，如图4(d)所示。

3.2 4P拐开裂对应的1P拐转角区域
为研究已开裂对应区域的表面状况，特取1P拐转角相应区域进行微观分析。

可见该区域表面也存在较多鱼鳞状裂纹，但部分扩展并相互连接，形貌与断面起始区周边表面裂纹形貌相同，如图5(a)所示。

3.3 断裂4P拐相邻4M轴径转角区域
该区域表面也存在鱼鳞状裂纹，但长度较短，未见明显扩展，如图5(b)所示。

3.4 1P拐沟槽处法向截面
该区域形貌如图5(c)所示，图右侧为沟槽表面，左侧为抛光面，可见表面部分裂
纹向内表层延伸，深度较浅。

在断口附近切割取样并进行显微组织观察。

结果显示，石墨大小及球化率均满足要求，对试样浸蚀后发现，珠光体和铁素体数量分布也满足要求，未发现明显的夹杂、疏松等铸造缺陷。

4.1 起始区截面
起始区石墨分布形貌如图6(a)所示，图右上侧为断面，左上侧为沟槽表面。

可见
断面上存在二次裂纹，与断面平行分布。

沟槽表面处存在一裂纹，垂直表面向内扩展，长约300 μm。

该区域石墨大小可评为5级，球化级别可评为2级，经浸蚀后，可见组织为珠光体和铁素体，珠光体数量可评为(珠85)[3]，如图6(b)所示。

4.2 扩展区截面
扩展区石墨分布形貌如图7(a)所示，图上方为断面，可见断面较平齐，该区域石
墨大小可评为5级，球化级别可评为2级，经浸蚀后，可见组织为珠光体+铁素体，珠光体数量可评为(珠85)[4]，如图7(b)所示。

在曲轴截面上进行硬度测定(HBW 5/750)，结果为：240、243、244 HB，均满
足设计图纸要求。

根据失效零件的电镜照片，比较了未失效曲轴的相同位置，发现失效零件的沟槽处经滚压后比未失效的相对粗糙，在较高倍数下可见较明显的机加工毛刺，这些毛刺是造成该处萌生裂纹的原因之一。

滚压处理的主要目的即消除毛刺，减少应力集中。

为了进一步研究滚压力与残余应力之间的关系，分别选取了两家(分别用A和B代称)不同的设备和工艺进行两两交互，进行对比试验。

测试方法均为X射线衍射法，试验共4组数据，分别为A机加工+B滚压、B机加工+B滚压、B机加工+A滚压和A机加工+A滚压，所有样品均取自实际试验后的曲轴。

其中A滚压的曲轴试
验结束后均未发生断裂或产生裂纹，B滚压的曲轴均为断裂曲轴，具体测试结果见表2。

由于压应力测量值为负数，为了表述方便，下文中的残余应力值均为其绝对值。

(1)0 mm处：A滚压残余压应力范围均大于200 MPa；B滚压残余压应力值范围在90～230 MPa。

(2)0.05 mm处：A滚压残余压应力值范围在215～240 MPa；B滚压残余压应力值范围在20～100 MPa。

(3)0.1 mm处：A滚压残余压应力值范围在260～285 MPa；B滚压残余压应力
值范围在60～160 MPa。

(4)0.3～0.7 mm处：A滚压残余压应力值均大于360 MPa；B滚压残余压应力值除了在0.7 mm处之外，均小于400 MPa。

由断口的扫描电镜分析结果可知，该曲轴4P轴颈处开裂为多源疲劳开裂。

疲劳开裂的启动主要与轴颈部沟槽表面的细微缺陷及较高应力相关。

当曲轴轴颈处于较高应力条件下，加之应力集中效应，对于表层微观缺陷必然十分敏感，即裂纹尺寸门槛值较小。

若表面存在一些难以克服的一定尺寸的缺陷时，会使轴颈表面处于临界状态，必然会有很大的开裂风险。

由金相分析可看到，曲轴轴颈转角区域石墨形态
及石墨分布无明显异常，也未发现异常的基体组织及分布，球化率、铁素体和珠光体的比例等都满足设计要求。

由硬度测定结果可知，基体硬度符合相关技术要求。

由宏观及微观组织分析可知，开裂起始区未见有引发开裂的冶金缺陷，但可见机加工留下的表面微观破裂现象，均布于转角面上。

结合轴颈处应力状态，显然表面微观缺陷扩展的启动主要与应力分布及应力大小有关。

关于残余应力的研究，采用两家不同的设备和工艺，两两交互测定了滚压后的残余应力值。

该数据主要关注的是0.3～1.0 mm深度范围，特别是0.5～0.7 mm，参考值为300～500 MPa。

经研究分析，0～0.3 mm范围的表面残余应力值影响有限。

对于曲轴轴颈处来说，残余应力值的前提条件是正常滚压后表面应该为压应力，正向拉应力是不可接受的。

试验后未断裂的曲轴，其滚压位置的残余应力值普遍大于发生断裂或有裂纹产生的曲轴，当然，制样过程中产生的误差，特别是切割过程中产生的热量对于整个曲轴残余应力值的影响同样存在。

由于国内残余应力测定设备和方法等因素有一定的局限性，目前暂未研究制样过程对测量结果的影响。

众所周知，曲轴4P在发动机运转过程中受力最大，其圆角处是曲轴应力集中最严重的部位，在工作中处于弯曲应力和扭转应力的双重作用下，曲轴的失效，尤其是疲劳破坏一般发生在曲轴轴颈和曲柄连接的过渡圆角处。

因曲轴圆角经过滚压后产生的残余压应力能够平衡曲轴加工和工作时的表面产生的拉应力，使零件的表面处于压应力状态，残余压应力的存在可以使裂纹的尖端闭合，同时还可以抑制裂纹尖端的继续扩展，因此可以提高曲轴的疲劳寿命[4]。

结合扫描电镜分析可见，断裂
曲轴轴颈转角区域均可见鱼鳞状表面破裂，但有的启动开裂，有的延伸成微裂纹，有的未见扩展。

这就需要在机加工沟槽处进行滚压处理时，除了尽量减少机加工刀痕和毛刺，对滚压力和滚压道次也进行充分地优化。

优化后的机加工和滚压工艺经后期的多次台架试验，未再发生断裂问题。

(1)曲轴的断裂模式为多源疲劳开裂，起源区域并没有明显的铸造或冶金缺陷，但
在轴颈沟槽处存在一定的机加工刀痕及毛刺，在后期曲轴服役期间诱发因应力集中效应导致的开裂。

(2)失效曲轴的硬度、金相均无明显异常，石墨形态及分布、球化率、铁素体和珠
光体的比例等均满足设计要求。

(3)轴颈机加工之后的滚压是曲轴非常重要的工艺，应确保该处有正常的残余压应力，一方面可以提高轴颈处的疲劳寿命，另一方面可以减少机加工后刀痕及毛刺造成的应力集中，避免为微裂纹的形成和扩展创造条件。

【相关文献】
[1] 冯继军，郭文芳．汽车发动机曲轴常见的失效形式及原因分析[J]．失效分析与预防， 2006，
2(1) :7- 12.
[2] 钟晓斌，董琪，史传岳，等．球墨铸铁曲轴断裂原因分析[J]．铸造工程， 2014，6: 32- 34.
[3] 任颂赞，叶俭，陈德华．金相分析原理及技术[M]．上海：上海科学技术文献出版社， 2012.
[4] 赵红兵，郭晨海，梁福祥．曲轴圆角滚压残余应力的分布研究[J]．小型内燃机与摩托车，2012，41(2):33- 36.。